关于KJ90X安全监控系统的研究

郭栋

（晋城市沁水县胡底煤业 山西省晋城市 048000）

1 传输方式的差异

RS485 是定义平衡数字多点系统中驱动器和接收器的电气特性的标准，该标准由电信行业协会和电子行业联盟定义。使用该标准的数字通信网络能在远距离条件下以及电子干扰大的环境下有效传输信号。KJ90X 系统中使用RS-485 信号的数据传输可以达到2KM 的距离。CAN 是Controller Area Network 的缩写(以下称为CAN)，是ISO 国际标准化的串行通信协议，CAN 总线是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维， CAN 总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。KJ90X 系统中使用CAN 总线型传输方式理论距离可以达到5KM。光纤是光导纤维的简称，光经过调变后便能携带资讯以发射器产生光讯号，在确保光讯号在光纤中不会衰减后以接收器接收光讯号，并且转换成电讯号，便能将大量的信息快速传输。KJ90X 系统中使用光纤传输理想的环境情况下可以达到10KM。网线是双绞线的统称，分为非屏蔽双绞线UTP 和屏蔽双绞线STP，日常使用的普遍为非屏蔽双绞线，制作使用方便，在短距离情况可以同时传输多种数据，KJ90X 系统中使用网线传输理想情况下距离可达到100M。

四种不同方式的传输使得KJ90X 系统的应用可以兼顾不同情景下的使用要求，使得组网更加灵活方便。

2 不同传输方式的应用

生产的前提是安全，保障安全的首要条件就是人与环境，随着信息化数字化的发展，目前数据的监测已经不同于往日，在大数据云计算的保障下，井下的各级设备以及数据要相容相合，综合判断统一行动。KJ90X安全监测系统的分站利用CAN 总线型的各类传感器可以传输整条巷道的数据，分站于分站之间使用光纤统一连接保障数据的快速传输，在集中的硐室和变电所内使用网线进行分站之间的数据传输，便捷且稳定。胡底矿是山西省的高突高瓦斯矿井，安全监控系统的稳定以及系统的日常维护至关重要。

3 CAN总线的优势

CAN 总线通信网络与其他通信网络有两点不同。一是消息传输不包含目标地址，它是基于全网广播的，每个接收站都基于报文消息中数据性质的标识符来过滤消息的，好处是它们可以连接到总线或从总线断开也可以即插即用，也可以主动传输和多站接收；其次，特别加强了对数据安全的重视，满足了对控制系统和数据系统的更高要求。

其协议基于国家标准组织的开放系统互连模型。其突出特点是：

3.1 多主站按优先级进行总线接入

网络上的任何节点都可以随时主动向网络发送信息，不分主从。任何单元都可以发信息。具有最高优先级消息的单元赢得总线访问。

3.2 基于无损优先级的仲裁

网络上的多个节点可以同时向总线发送数据，节点的数据速度如何，是取决于该节点发送的消息的标识符来确定优先级和优先级，当较低优先级的节点主动退出时，较高优先级的节点可以不受影响地发送数据，特别是当网络负载较重时，网络不会瘫痪。

3.3 通过接收滤波进行多地址帧传输

当一个节点接收到一条消息时，将标识符与它自己的接收代码寄存器和掩码寄存器进行比较，以确定是否接收它。

3.4 远程数据请求

每个节点可以向另一个节点发送一个远程帧来请求该节点的数据帧，并且该数据帧和对应的远程帧用相同的标识符命名。

3.5 配置灵活性

寄存器可以灵活设置，使节点可以既可以接受也可以发送数据。

3.6 全系统数据兼容性

3.7 检测错误和错误的信令

传输过程中的每帧信息都有验证等错误检测措施，具有良好的错误检测效果。

3.8 抗干扰能力强

由于报文采用短帧的结构，传输时间短，受到干扰的概率低，从而保证了数据误码率低。在出现严重错误的情况下，该节点还具有自动关闭输出的功能，这样就不会影响总线上其他节点的操作。

3.9 唯一实现国际标准（ISO11898）的传输方式

另外，网络上的节点数量主要取决于总线驱动电路，最多可达110 个，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，具有多环境且性价高的特点。

4 胡底矿KJ90X安全监控系统的CAN总线传输

（1）KJ90X 系统配套使用KJ90-F16(B)总线型分站，分站基于ARM 内核的32 位嵌入式微控制器，具有6 条总线，分站到传感器的最大传输距离不小于2 km，分站到控制执行器的最大传输距离不小于2 km，分站到矿用网络交换机采用RS485 传输方式的最大传输距离不小于4 km。其中4 条总线用于各类传感器的接入，1 条用于与监控主机的通讯，1 条用于与其他智能设备的连接，另有以太网光口2 组可与其他100M 内的监控分站直接连接，依据《煤矿安全监控系统升级改造方案》的要求到2020年末期监控系统分站至交换机之间必须采用工业以太网传输，胡底矿在2019年5月安全监控系统升级，将井下光缆进行优化，使用主干光缆，集中放置点网线的方法，将KJ90-F16(B)分站监控数据的传输全部为工业以太网传输。

（2）每条总线可同时接入4 台模拟量或开关量数字传感器，4条总线则可同时接入16 台模拟量或开关量数字传感器，可实现监控系统的全数字化，提高传输环节的可靠性。配合单片机的存储，异地断电不再需要地面中心站软件下发控制命令，分站间可数据交换实现现场异地断电功能。

（3）分站采用工程塑料外壳，防护等级由原来的IP54 提升到IP65，分站所连接的所有传感器也为IP65 防护级别，可以在淋水环境下正常运行。

（4）在我矿的安全监测系统部署中，CAN 总线传输是基础，CAN 的协议其实也是利用串行通讯，但是与一般串行不同的是CAN 协议可以兼顾CAN 各点之间的电气特性和数据协议，因为CAN 被细分成为不同的层次。

首先是物理层，物理层定义信号如何实际的传输，涉及到定时、位编码/解码、同步的解释，没有定义物理层面的驱动器和接收器的特性，以次来便于根据不同的应用来对每题和信号电平进行优化。其次是数据链路层，链路层分为两个子层，分别为介质访问控制层（MAC）和逻辑链路控制层（LLC）。介质访问控制（MAC）是CAN 协议的核心，受到“故障界定”的管理和监督，“故障界定”也就是我们日常俗称的自检机制，有了自检机制，传感器本可以将永久故障和短时数据扰动却别开。逻辑链路控制层（LLC）涉及到报文的滤波、过载通知以及恢复管理。层次结构见图1、图2。

图1

图2

由于CAN 总线的特性，就可以使得胡底矿在工业环网的配合下，采用多种介质来传输数据，这在实际的日常维护中将节省大量的人力，在线缆和设备出现故障时可以快速的恢复。也可以使得胡底煤业在交换机与分站之间的线缆断开的情况下，依靠KJ90-F16B分站内已经存储的断电关系和报警断电数值，井下的环境依然在可控范围内，不会出现由于交换机与分站之间断开导致井下瓦斯超限、风机停运等情况下无法断电的情况发生。

5 总结

我矿KJ90X 系统应用以来至今未出现任何模拟量传感器因受到干扰而中断的情况，这都归功于KJ90X 系统所使用的CAN 总线型基础传输方式。系统中所有的传感器均可以实现自检，并且识别自身故障，小于1 分钟的数据闪断传感器可以自动判定而不进行传感器的重启动作，最大程度的保证了数据的连续性，并且可以在统一端口进行不同类型传感器的连接和电脑切换操作。这对于矿井的安全生产以及设备控制是有利的。